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气体爆炸实验装置的抗爆-泄爆安全设计方法

文档作者: 刘志琨 王志荣 崔益清        文档来源: 南京工业大学城市建设与安全工程学院
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更新时间: 2021年01月07日
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气体爆炸实验装置的抗爆一泄爆安全设计方法 刘志琨,王志荣。崔益清 (南京工业大学城市建设与安全工程学院,江苏南京210009) 摘要:通过对气体爆炸实验装置的抗爆安全设计和泄爆安全设计进行分析,提出了一种新型的抗 爆一泄爆安全设计方法。利用这种设计方法,不但使气体爆炸实验装置符合试验要求,而且可以在 不降低安全性的前提下,大幅降低装置的制造成本。 关键词:气体爆炸;抗爆;泄爆;安全设计 中图分类号:THI22;TB41 文献标识码:A 文章编号:1001—4837(2012)11—0038—05 doi:10.3969/j.issn.1001—4837.2012.1 1.008 A Safety Design M ethod of Anti--explosion——Explosion--venting for Gas Explosion Experiment Device LIU Zhi—kun,W ANG Zhi—rong,CUI Yi—qing (College of Urban Construction and Safety Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China) Abstract:A new safety design method of anti-explosion—explosion-venting is presented through the anal— ysis of anti—explosion design and explosion-venting design of the gas explosion experiment device.It can fit the requirements of the experiment device,and may reduce the cost of the device obviously while maintain the safety by using the method. Key words:gas explosion;anti—explosion;explosion—venting;safety design 0 引言 气体爆炸实验装置在研究爆炸机理和预计爆 炸后果等领域有着广泛应用。气体爆炸试验的危 险性较大,因此对实验装置的安全性要求较高。 目前,国内外多使用抗爆安全设计进行气体爆炸 实验装置的设计制造Ll J。文中提出了一种新型 设计方法,可以为气体爆炸实验装置的设计提供 参考。 气体爆炸实验装置主要分为抗爆设计和泄爆 设计两种。应用抗爆设计的容器一般壁厚较大, 容器制造费用较高,增加试验成本。应用泄爆设 计的容器壁厚较小,一旦发生意外爆炸容易发生 危险,造成人员伤亡。提出一种抗爆一泄爆安全 设计方法,将抗爆设计与泄爆设计相结合,既可以 保证试验人员与仪器的安全,又能大幅减少制造 费用,方便移动,同时能够达到试验要求。通过此 种方法设计的实验装置已在多次试验研究过程中 证明了其优异性 卜9 J。 基金项目:国家自然科学基金项目(No.50904037);江苏省高校自然科学基金项目(10KJB620001);江苏省高校自然科学重大基础研 究项目(11KJA620001) · 38 · 第29卷第l1期 压 力 容 器 总第240期 1 抗爆安全设计方法 1.1 爆轰压力 根据气体爆炸热力学分析,欲确定爆轰压力, 要先确定爆轰反应方程组。 (1)爆热 Q =Q。+AnRT 式中Q — —定容爆热 ,J/kg Q。—— 定压爆热,J/kg △ ——气体爆炸产物与反应物摩尔数的 差值,mol R——气体常数,取8.314 J/(mol·K) 卜反应过程的温度,通常为标准状态 下的温度,K = ΣniQp 一Σ 式中m, ——爆炸产物和反应物的组分数 ni, ——爆炸产物i和反应物组分 的摩 尔数,mol Qp ,Q ——爆炸产物i和反应物组分 的 定压生成热 (2)爆温 m . . . . . 一 Q = C t i=1 式中 C ——爆炸产物i的平均热容, J/(mol·K) — — 爆炸温度,K 而一般热容与温度的关系为: C =0+bt+ct + 。+⋯ 为简化计算,通常近似取前两项,即认为热容 与温度是直线关系。 (3)绝热指数 Σ k : 1 !三 一 — — n£c i=1 式中 ——气体产物的绝热指数 (4)未反应气体密度 P0Mo Po 式中P。——未反应气体的密度,kg/m P。——未反应气体的初始压强,Pa — — 未反应气体的平均摩尔质量, kg/mol — — 未反应气体的初始温度,K (5)爆轰反应方程组 对于气相爆轰,满足质量守恒方程、动量守恒 方程、能量守叵方程和气体状态方程,基本方程组为: √ =(V0-UH,√ PHvx : 1 p日(L V0~VII)+ Q 11,1t 4-CH ,P ,。Ⅳ √印 式中D——爆速,m/s ,UH——未反应气体和爆轰产物的比容, m /kg P日——爆压,Pa — — 爆轰产物的比热比 Q — —爆热,J/kg “ ——爆轰产物质点速度,m/s c ——爆轰产物音速,m/s J7l ——爆轰产物的平均摩尔质量,kg/mol — — 爆轰产物温度,K 求解该基本方程组,可以得到气相爆轰各参 数如下 m-1 : D = k+1 。 p =南 “ = D c = D = 1.2 安全系数 (1) (2) (3) (4) (5) (6) 根据有关标准的规定 ,材料为碳钢的压力 容器安全系数一般取 =3.0。由于这里是针对 爆炸实验装置的设计,而非一般承受静载压力容 器,所以此处安全系数应大于规定值, 宜取5~ 8。则容器的设计压力为: P 日 1.3 器壁厚度 (7) 由相关资料可知 ,球形容器的设计壁厚为: · 39· 气体爆炸实验装置的抗爆一泄爆安全设计方法 VoL29.Nol 1 2012 6≥ + C (8) 圆筒形容器的设计壁厚为: 式中6——壳体设计壁厚,mm p——容器的设计或计算压力,MPa D ——壳体内直径,mm [ ] ——工作温度下壳体材料的许用应 力,MPa — — 衰减系数 C—— 附加壁厚,mm 2 泄爆安全设计方法 在进行泄爆安全设计时,通过对容器内气体 爆炸(非爆轰)情况的分析,确定泄爆压力和泄爆 面积。 2.1 泄爆压力 根据有关标准的规定 ],计算装有爆破片的 压力容器的设计压力。 (1)确定爆破片的最低标定压力P 。根据 不同型式的拱形金属爆破片,推荐的P 值见表1。 表1 最低标定爆破压力P 爆破片型式 载荷性质 P i /MPa 普通正拱形 静载荷 ≥1.43p 开缝正拱形 静载荷 ≥1.25p 正拱形 脉动载荷 ≥1.7p 反拱形 静载荷、脉动载荷 ≥1.1p 注:P 为容器的工作压力。 (2)选定爆破片的制造范围。爆破片的制造 范围见表2。 (3)计算爆破片的设计爆破压力(即泄爆压 力)P 。P 等于P 加上所选爆破片制造范围的 下限(取绝对值)。 (4)确定容器的设计压力P。P不小于P 加 上所选爆破片制造范围的上限。 表2 爆破片的制造范围 MPa 1.0级 0.5级 0.25级 项目 设计爆破压力 上限(正值) 下限(负值) 上限(正值) 下限(负值) 上限(正值) 下限(负值) 0.10~0.16 0.028 0.014 0.014 0.010 0.O08 0.004 0.17~0.26 0.036 0.020 0.020 0.010 0.010 0.005 O.27~0.40 0.O45 0.025 0.025 0.015 0.010 0.010 0.41~0.7O 0.065 0.035 0.030 0.020 0.020 O.O10 fF拱形爆破片 O.71~1.O0 0.085 0.O45 0.040 0.O20 0.020 0.010 1.10~1.40 0.110 0.O65 0.O60 0.040 0.O4O 0.020 1.50~2.50 0.160 0.085 0.080 0.04 0 0.040 0.020 2.60~3.50 0.210 0.105 O.100 0.050 0.040 0.025 3.60以上 6% 3% 3% 1.5% 1.5% 0.8% 反拱形爆破片 0.10以上 0 10% O 5% O O 2.2 泄爆面积 泄压装置工作时,如果由爆炸产生的升压速 率与泄放造成的降压速率相等,则容器内最大压 力p 与泄压装置动作压力p 相等,此时泄压装置 的泄放面积为最适宜泄放面积 。 (1)升压速率 球形容器内气体中心点火爆炸过程中,压力 变化速率可由下列微分方程式求出: = 3P , Vs[( )( )1/k-8 p-P- 。 ] · 40 · ( —1)∽(卫) (10) Po 式中p—— 容器内压力,Pa 卜一时间,s 广一火焰传播速度,m/s r—— 容器半径,nl — — 容器内压力升高的倍数, =p /P。 p。—— 容器内初始压力,Pa — — 比热比,k=Cp/C 当容器中火焰传播到壁面时,压力上升速率 达到最大值: 第29卷第11期 压 力 容 器 总第240期 ( )ma =3p , ovf( -1)占 (11) (2)泄爆面积 通过气体动力学和热力学分析,可得到球形 容器内气体爆炸泄放面积为 : A:— — 一(12) Cdp [ ( ) R ] 式中 ——容器体积,m C — — 泄放系数,取0.62 p — —爆破片泄爆压力,Pa R — — 泄放气体常数,J/(kg·K) — — 泄放气体的绝对温度,K 2.3 爆破片材料的选择 根据有关标准 ,爆破片材料及其最高使用 温度见表3。由于气体爆炸是瞬间反应,爆破片 受到高温作用的时间非常短(毫秒级),所以尽量 选用适用温度高的爆破片材料即可,如铬镍合金。 表3 爆破片的最高使用温度 爆破片材料 最高使用温度/℃ 铝 loo 铜 20O 镍 400 奥氏体不锈钢 4o0 铜镍合金(蒙乃尔) 430 铬镍合金(因康镍) 480 3 抗爆一泄爆安全设计 抗爆一泄爆联合设计的主要思想是,依据抗 爆设计的方法进行容器的抗爆设计,在进行抗爆 设计时适当减小容器的安全系数以降低容器壁 厚;为了弥补降低安全系数给容器带来的危险性, 应用泄爆设计的方法,在容器上加装爆破片。 氢气是爆炸强度最强的气体,其在空气中的 最大爆炸压力约为0.84 MPa。在进行氢气爆炸 的试验中,氢气可能会因为试验条件的改变而发 生爆轰。所以,实验装置的抗爆一泄爆安全设计 应以氢气的爆轰来设计。 4 实例分析 利用抗爆一泄爆安全设计方法设计一个1 m 。的球形氢气爆炸实验装置。 氢气在氧气中的反应式为: 2H2+02— 2H2O 一般爆炸试验的反应初始压强P。=0.1 MPa,初始温度25℃。氢气的比热比k=Cp/C = 14.32/10.19=1.149,气体常数R =4.124 kJ/(kg·K)。由式(3)可以计算出,氢气的爆轰 压力:pH=2.13 MPa。 取安全系数//,=5。由式(7)可得,容器的设 计压力:p=10.65 MPa。 由球形体积公式: =÷订r ,可算出V=1 m。 的球形容器,其半径r=0.62 m,即内直径D = 1.24 m。 经查表,一般碳钢[ ]‘约为130 MPa,忽略 ,C,由式(8)可得壁厚:6I>25.93 mm。 按照抗爆安全设计的方法,1 m。的球形气体 爆炸实验装置的壁厚不得小于25.93 mm。 氢气在密闭球形容器中与带泄爆口的球形容 器中爆炸时,最大爆炸压力如表4所示。 表4 不同条件球形容器内氢气最大爆炸压力 球形容器情况(V=110 L) 密闭 带泄爆口(D。=20 mm) 带泄爆口(D =30 mm) 带泄爆口(D,=40 mm) 最大爆炸压力/MPa O.82 0.47 0.39 O.3 与密闭条件时的比值 _—— O.57 0.48 O.37 密闭容器相当于抗爆设计,取安全系数 = 5,带有泄爆口的球形容器可视为抗爆一泄爆联合 设计。由表4可以看出泄爆口直径越大,对容器 的保护效果越好。根据最坏情形分析,D=20 mm 时,球形容器承受的危险陛最大,但此时其最大爆 炸压力仅为球形容器密闭时的0.57,即危险性仅 · 41· CPVT 气体爆炸实验装置的抗爆一泄爆安全设计方法 Vo129.Nol 1 2012 为密闭时的0.57。因此采用联合设计时,将容器 的安全系数适当降低,这里按一般压力容器 =5 ×0.57=2.85,取n=3。 由式(7)可得,容器的设计压力:P=6.39 MPa。由式(8)可以算出,器壁厚度: ≥15.43 m m 。 接下来按照泄爆安全设计方法,计算爆破片 的设计爆破压力p 和泄爆面积 。此时应以氢气 的爆炸(非爆轰)来计算。氢气的最大爆炸压力 P =0.84 MPa,则容器的工作压力P =p =0.84 MPa。由于设计的是试验用的爆炸容器,所以容 器承受的脉动载荷,根据表1应选择正拱形或反 拱形爆破片。这里选择反拱形爆破片,P ≥ 1.1p ,则爆破片的最低标定压力为:p I>0.924 MPa。 根据表2选择爆破片的制造范围,选择1.0 级的反拱形爆破片,可查得其上限为0 MPa,下限 为0.1p 。则爆破片的设计爆破压力:P =1.027 MPa。 由于根据泄爆设计计算出的设计压力远小于 根据抗爆设计计算出的设计压力,所以在进行抗 爆一泄爆联合设计时,不再根据泄爆设计单独计 算容器的设计压力。 经查阅相关资料¨ ,可知:氢气在空气中 爆炸的火焰传播速度vi=315 cm/s,爆炸产物温 度约为Tr=1800 K,容器内压力升高倍数 = P /p。=8.4。由式(11)可得氢气爆炸时压力上升 速率最大值为:(dp/dt) =51.5 x10。Pa/s。 由式(12)可得泄爆面积:A=0.031 m 。 爆破片直径:D=0.2 m。 经过以上计算可以看出,抗爆一泄爆联合设 计的壁厚(15.43 mm)明显小于单独使用抗爆设 计的壁厚(25.93 mm),节省了材料,而且由于使 用了泄爆设计,安装了爆破片,安全性没有明显降 低。 5 结语 计算结果和实例分析表明,应用抗爆一泄爆 联合设计来进行气体爆炸实验装置的设计,能够 、 有效减少容器制造成本,能够更加方便地使用和 移动实验装置。同时,抗爆一泄爆安全设计还保 证了实验装置的安全性。 · 42 · 参考文献: [1] Razus D,Movileanu C,Brinzea V,et a1.Explosion Pressures of Hydrocarbon — air Mixture in Closed Vessels[J].Journal of Hazardous Materials,2006, 135(1—3):58—65. 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[15] 王心亮,叶丹,顾瑶.氢氧爆轰电离模型研究[J]. 安全与环境学报,2007,7(1):128—131. 收稿日期:2011—12—11 修稿日期:2012—09一l8 作者简介:刘志琨(1986一),男,主要从事连通容器气体 爆炸研究和换热设备结垢研究工作,通信地址:210009江 苏省南京市南京工业大学城市建设与安全工程学院,E— mail:lzkl3@ yahoo.eom.en。
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